Технико-экономический аспект использования солнечных электростанций в системах электроснабжения сельскохозяйственного производства и быта в условиях Сибири

Введение . В настоящее время в России и в мире в целом происходит массовое строительство и внедрение солнечных электростанций (СЭС) и автономных гибридных энергоустановок (АГЭУ) – солнечных электростанций, сопряженных с дизель-генераторами (ДГ) и аккумуляторами, взамен устаревших, отслуживший свой срок, дизельных ДЭС [1–9]. Как показал проведенный нами обзор солнечных модулей и СЭС [10], массовое внедрение СЭС в России, в том числе в Сибири, напрямую связано с деятельностью группы компаний ХЕВЕЛ [11, 12].

В Сибирском федеральном округе, в который входят республики Алтай, Тыва, Хакасия, Алтайский и Красноярский края, Иркутская, Кемеровская, Новосибирская, Омская и Томская области, с 2013 года группой компаний «Хевел» по-

строены и успешно эксплуатируются СЭС и АГЭУ [11, 12].

В Республике Алтай, начиная с 2013 года, работают 8 относительно крупных электростанций общей мощностью 120 МВт, использующих солнечное излучение в качестве источника энергии [12]:

• -    первая в России гибридная солнечно-дизельная электростанция (п. Яй-лю) мощностью 100 кВт (40 кВт – СЭС);

• -    первая в России сетевая СЭС (Кош-Агачский район) мощностью 10 МВт;

• -    Чемальская СЭС мощностью 10 МВт;

• -    Майнинская СЭС мощностью 25 МВт;

• -    Усть-Косинская СЭС мощностью 40 МВт и др.

В Республике Тыва в селах Мугур-Аксы и Кызыл-Хая эксплуатируются 2 АГЭУ мощностью 550 кВт (рис. 1).

Рис. 1. Автономная гибридная энергетическая установка в Республике Тыва [12]

Примерный график покрытия     селения АГЭУ представлен на рис. 2.

нагрузки потребителей сельского по-

АКБ Солнце • Дизель

Рис. 2. Примерный график покрытия нагрузки АГЭУ [12]

Кроме приведенных выше СЭС, в Сибирском федеральном округе эксплуатируются небольшие индивидуальные СЭС (от нескольких сотен Вт до нескольких кВт), установленные на крышах домов, хозяйственных построек и других объектов, предназначенных, например, для электроснабжения крестьянских (фермерских) хозяйств (КФХ) [4, 5]. В строительство СЭС и АГЭУ в Сибирском федеральном округе в ближайшие годы предполагается значительное увеличение инвестиций.

В ближайшие 3 года в 28 отдаленных поселках Томской области появятся АГЭУ. На реализацию проекта потратят 1,45 млрд руб., совокупная мощность объектов солнечной генерации составит 4,4 МВт [13]. Помимо Томской области, интерес к развитию АГЭУ проявляют и власти других регионов Сибири. Так, в Мотыгинском районе Красноярского края первые 5 автономных гибридных электроустановок совокупной стоимостью 228 млн руб. должны быть построены уже в 2023–2024 гг. Всего же в крае около 100 населенных пунктов, где эта технология может быть востребована. Интерес проявляют республики Тыва, Хакасия и Алтай, а также Иркутская область. Потенциал использования АГЭУ в России, особенно в Сибири и на Дальнем Востоке, достаточно высок. В стране се

годня более 1000 отдаленных поселений, изолированных от единой энергосистемы и получающих электроснабжение от ДЭС. В таких населенных пунктах проживают около 1 миллиона человек.

По данным Хакасского филиала Россети Сибирь [14], сейчас в очереди на технологическое подключение к электросетям 15 КФХ. Это те хозяйства, присоединение которых наиболее затратное из-за удаленности и иных факторов: 6 КФХ в Бейском районе, по 2 КФХ в Ас-кизском, Ширинском, Алтайском, Усть-Абаканском районах, 1 КФК в Орджони-кидзевском районе. При подключении к ЛЭП на каждое КФХ может быть потрачено от 2 до 10 млн руб., или около 90 млн руб. на все 15 хозяйств.

Цель исследования . Рассмотреть технико-экономический аспект использования солнечной энергии в системах электроснабжения сельскохозяйственного производства и быта в условиях Сибири для рационального внедрения СЭС и АГЭУ.

Задачи исследования :

• 1.    Исследовать параметры СЭС и АГЭУ для условий Сибири.

• 2.    Провести технико-экономическое сравнение себестоимости электрической энергии, полученной от СЭС и АГЭУ и тарифов на электрическую энергию для населения, проживающего в сельской

3. Дать рекомендации по рациональному использованию СЭС и АГЭУ в условиях Сибири.

местности, а также для сельскохозяйственных товаропроизводителей (крестьянских (фермерских) хозяйств в условиях Сибири.

Методы исследования . В основе исследования лежит процесс моделирования технико-экономических показателей СЭС и АГЭУ при учете их режимов работы в условиях Сибири.

Результаты исследования и их обсуждение. Исходные данные . По данным сайта NASA [15], по методике, подробно изложенной в учебном пособии [16], для сельских поселений Сибири с учетом их географического расположе-

ния, а также с предполагаемым внедрением в этих населенных пунктах АГЭУ, в качестве исходных данных для расчета параметров СЭС приняты результаты моделирования в электронных таблицах Excel суммарного среднесуточного удельного солнечного излучения на поверхности солнечного модуля (СМ) СЭС при угле наклона СМ, равном широте местности. Стоимость дизельного топлива для ДЭС принималась равной стоимости на заправочных станциях указанных населенных пунктов на 15 апреля 2023 г. [17, 18, 19]. Исходные данные приведены в таблице 1.

Таблица 1

Данные по солнечному излучению в отдельных сельских поселениях Сибири и стоимости дизельного топлива в них

Населенный пункт

Ежемесячное суммарное среднесуточное удельное солнечное излучение на поверхности СМ при угле наклона β СМ, равному широте местности, Э уд i ^β , кВт ^. ч/м²

Республика Алтай, Артыбашское сельское поселение (Турочакский район)

Сум-мар-ное среднегодовое удельное солнечное излучение, Э уд год β, кВт . ч/ м2	Стоимость дизель-ного топлива, руб/л
3	4
1485	62,40

Продолжение табл. 1

1	2		3	4
	6,00
	5,00
	4,00
Республика Тыва,	о пп
с. Качык (Эрзин-	3,00		1571	67,33
ский кожуун)	2,00 -	1                    11
	1,00 -	1--------II
	0,00
		123456789101112
	6,00	—
	5,00	------- — ----------
Республика	4,00
Хакасия,	3,00	-- ■ - - - - - - - -------
с. Бея			1366	61,60
(Бейский район)	,
	1,00	II         III
	0,00
		123456789101112
	6,00	—
	5,00
Алтайский край,
с. Шипуново	3,00		1464
(Шипуновский	7 ПП			59,70
район)
	1,00
	0,00
		123456789101112
	6,00
	5,00
Красноярский	4,00
край,
п. Машуковка	3,00		1248	67,25
(Мотыгинский	2,00
район)	1,00 -	II-----Illi
	0,00
		123456789101112

Продолжение табл. 1

1	2												3	4
Красноярский край, п. Тура (Эвенкийский район)	а лл												1138	108
	, 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 л лл
											■	2
	, Illi         III 12345678910111
Иркутская область, с. Чехово (Нижнеудинский район)	а лл												1501	63,20
	, 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00
	0,00	।                  ।                  ।                  ।                  ।                  ।                  ।                  ।                  ।                  ।                  ।                  । 123456789101112
Кемеровская область, п. Ключевой (Таштагольский район)	6,00 5,00								7	8			1406	59,60
				)	3
	2,00 1,00 0,00		L
											9101112
						4	5
Новосибирская область, п. Советский (Купинский район)	а лл												1315	62,65
	, 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00
	123					45		6789101112

Омская область, п. Нововаршавка (Нововаршавский район)

Окончание табл. 1

58,05

Томская область, п. Катайга (Верх-некетский район)

61,65

Анализ графиков, приведенных в таблице 1, показал, что ежемесячное суммарное среднесуточное удельное солнечное излучение на поверхности СМ при угле наклона β СМ, равному широте местности, в таких сельских поселениях, как Артыбашское (Республика Алтай), Качык (Республика Тыва), Нижнеудинское (Иркутская область), Шипуново (Алтайский край), в период с марта по август изменяется незначительно, а в зимние месяцы составляет 40–50 % от летних месяцев. Указанные сельские поселения расположены значительно выше над уровнем моря, чем остальные, преимущественно в горной местности, в отличие от остальных, расположенных в равнинной части Сибири. Состав, установленная мощность и режимы работы оборудования АГЭУ в каждом населенном пункте будут зависеть от изменения солнечного излучения в течение суток, месяца, года: чем равномернее будет график поступления солнечного излучения на солнечную батарею (СБ), состоящую из СМ, тем меньше могут быть время работы ДЭС и емкость аккумуляторной батареи (АБ). Как показывает опыт эксплуатации АГЭУ в Тыве и других южных районах, использование СЭС в составе АГЭУ позволяет снизить потребление дизельного топлива на 25–50 %, а в северных районах, например, в п. Тура Красноярского края – на 20–25 %, тем сам продлить на указанные проценты срок службы ДГ.

Сравнение себестоимости электроэнергии, произведенной СЭС и ДЭС. Оценка эффективности использования СЭС может быть произведена путем сравнения себестоимости 1 кВт^.ч электроэнергии, выработанной СЭС и полученной от традиционных источников [8, 9].

Капиталовложения К СЭС , руб., в СЭС составят:

К сэс = К об СЭС + К д + К ос + К м + К пн + К з + К пр ,

где К об сэс — цена оборудования СЭС, руб.;

К д - стоимость доставки, руб.;

К ос - стоимость основания под солнечные модули, руб.;

К м - затраты на монтаж оборудования, руб.;

К пн - затраты на пусконаладочные работы, руб.;

К з - стоимость заземления, руб.;

К пр - прочие единовременные затраты, руб.

Цена оборудования, входящего в комплект СЭС, определяется, исходя из технических характеристик СЭС, и устанавливается производителем СЭС. В данном случае группой компаний «Хевел» [12].

Стоимость доставки оборудования СЭС в какой-либо регион России зависит от способа доставки (железнодорожный, автомобильный, речной или авиационный транспорт), расстояния от места производства до места назначения, веса и габаритных размеров груза.

Стоимость основания под солнечные модули также определяется из локальной сметы, в которую входят стоимость металлических изделий основания; планировка площадки под СЭС; монтаж основания под солнечные модули и кабели.

С сэс = (И ам + И тр + И обсл + И пр )/W сэСгоД ,

где И ам - амортизационные отчисления, руб/год;

И тр - отчисления на текущий ремонт, руб/год;

И обсл - отчисления на обслуживание СЭС, руб/год;

И пр - прочие отчисления, которые можно принять равными 10 % от вышеперечисленных статей затрат, руб/год;

W cэcгод - годовая выработка электроэнергии СЭС, кВт - ч.

Ежемесячная и годовая выработки электроэнергии СЭС в конкретном сель-

Затраты на монтаж оборудования СЭС и пусконаладочные работы определяются по локальной смете на данный вид работ для интересующей конфигурации СЭС. Эти затраты будут мало зависеть от различных регионов России, поэтому их принимаем одинаковыми.

Стоимость заземления будет зависеть от состава грунта и его удельной электропроводности, что скажется на размерах вертикальных и горизонтальных заземлителей, поэтому стоимость примем стандартной независимо от региона.

Капитальные затраты на монтаж сетчатого ограждения территории СЭС определяются по локальной смете и зависят от качества грунта, размера ограждения и других факторов и не отличаются по стоимости более чем на 10 %, поэтому эту величину можно принять единой для различных регионов в зависимости от площади, занимаемой СЭС.

Себестоимость электрической энергии, произведенной СЭС, в основном будет зависеть от первоначальной стоимости установки и количества выработанной в течение года электроэнергии, которая зависит от уровня солнечной радиации в рассматриваемом регионе.

Себестоимость электроэнергии, произведенной СЭС, Ссэс, руб/кВгч, определяется по формуле ском поселении могут быть рассчитаны, исходя из ежемесячного суммарного среднесуточного удельного солнечного излучения на поверхности СМ при угле наклона в СМ, равному широте местности, Эуд iв, кВт.ч/м2, при учете реального КПД СМ, который составляет около 50 % от указываемого в технической характеристике СМ [20]. В расчетах для СМ группой компаний «Хевел» КПД принят равным 11 %.

Амортизационные отчисления учитывают возмещение основных производ- ственных фондов в процессе износа обо- рудования и определяются по формуле

И ам = К^а ам ,                                  (3)

где аам - норма амортизационных отчис-      Норма амортизационных отчисле- лений.                                 ний рассчитывается в зависимости от срока службы установки:

а ам = 1/ Т = 1/25 = 0,04,                             (4)

где Т - срок службы установки, 25 лет.

Отчисления на текущий ремонт и обслуживание составят

И тр =К^К тр ,

где К тр - норма отчислений на текущий ремонт, которую можно принять в размере 2-3 % от К .

При обслуживании оборудования СЭС ее владельцем без найма обслужи-

К дЭС = К об ДЭС + К д + К пом + К м + К пн + К з + К пр ,

где К об дэс - цена оборудования ДЭС, руб.;

К д - стоимость доставки, руб.;

К пом - стоимость помещения под ДЭС, руб.;

К м - затраты на монтаж оборудования, руб.;

К пн - затраты на пусконаладочные работы, руб.;

С дэс = (И ам + И тр + И обсл + И пр + И гcм )/W дэcгоД ,

где И ам - амортизационные отчисления, руб/год;

И тр - отчисления на текущий ремонт, руб/год;

И обсл - отчисления на обслуживание установки, руб/год;

И пр - прочие отчисления, которые можно принять равными 10 % от вышеперечисленных статей затрат, руб/год;

Игсм   - издержки на горюче смазочные материалы, руб/год;

И гсм = W год • q гсм •С гсм ,

вающего персонала отчислениями на обслуживание можно пренебречь.

Для определения себестоимости электроэнергии от ДЭС необходимо определить капитальные вложения, К ДЭС , руб., по формуле

К з - стоимость заземления, руб.;

К пр - прочие единовременные затраты, руб.

Себестоимость электроэнергии, произведенной ДЭС, С дэс , кВт . ч, определяется по формуле

W дэcгод - годовая выработка электроэнергии ДЭС, кВт ^. ч.

При обслуживании оборудования ДЭС ее владельцем без найма обслуживающего персонала отчислениями на обслуживание можно также пренебречь. Для удобства сравнения годовую выработку электроэнергии от дизельной электростанции примем равной выработке от СЭС в том же районе.

Издержки на горюче-смазочные материалы определяются по формуле где qгсм – удельный расход топлива на 1 кВт.ч выработанной электроэнергии, qгсм = 375 г/кВт.ч;

С ГСМ – стоимость 1 л дизельного топлива (с учетом доставки), руб/л.

Годовая экономия затрат на дизельное топливо, ЭК , руб/год, при замене электрической энергии, произведенной от ДЭС на электроэнергию, произведенной от СЭС в составе АГУЭ, составит

ЭК = И ГСМ – С сэс ^. W СЭС .                         (9)

Тогда срок окупаемости затрат на СЭС, Т ок , лет, составит

Т ок = ( К СЭС . - К ДЭС )/ЭК.                               (10)

В качестве сравниваемых вариантов приняты следующие комплекты оборудования:

– гибридная электростанция Н8-DH-19200 (стоимость 1736,990 тыс. руб.) [12]:

• –    номинальная мощность установки – 15 кВт;

• –    количество солнечных модулей – 48 шт.;

• –    занимаемая площадь солнечных модулей (ориент.) – 100 м²;

• –    емкость АКБ 4,8 кВт ^. ч;

• –    фотоэлектрический модуль Хевел HVL-320/HJT;

• –    инвертор Deye SUN-5K-SG03LP1-EU;

• –    АКБ 4 шт.;

• –    ДЭС (стоимость 536,981 тыс. руб.) [17]:

дизель-генератор Motor АД15-T400

R в контейнере с АВР мощностью 15 кВт.

Результаты моделирования экономических показателей сравниваемых вариантов электроснабжения сельских поселений Сибири представлены в таблице 2.

Результаты моделирования

Таблица 2

Населенный пункт	Себестоимость электроэнергии от СЭС, С сэс , руб/кВт.ч	Себестоимость электроэнергии от ДЭС, С ДЭС , руб/кВт . ч	Тарифы на электроэнергию от энергосбытовой компании для сельского населения, трехзонный тариф (ночь/пик/полупик), руб/кВт . ч [21]	Тарифы на электроэнергию для сельхоз-товаро-производителей, руб/кВт . ч [22]
1	2	3	4	5
Республика Алтай, Артыбашское сельское посе ление	9,79	31,78	3,73/6,06/4,65	-
Республика Тыва, с. Качык	9,26	32,60	2,34/3,79/2,92	6,49
Республика Хакасия, с. Бея	10,65	32,77	0,85/2,31/1,87	6,61
Алтайский край, с. Шипуново	9,93	31,19	2,68/5,38/4,15	6,98

Окончание табл. 2

1	2	3	4	5
Красноярский край, п. Машу-ковка	11,65	35,79	1,37/3,00/2,28	8,19
Красноярский край, п. Тура	16,38	56,92	-	-
Иркутская область, с. Чехово	9,69	32,03	0,662/1,292/0,994	4,42
Кемеровская область, п. Ключевой	10,34	31,70	1,97/3,78/3,02	3,40
Новосибирская область, п. Советский	11,06	33,51	2,07/3,30/2,68	5,69
Омская область, п. Нововаршавка	10,04	30,75	2,32/4,59/3,14	-
Томская область, п. Катайга	11,61	34,00	2,23/3,97/3,16	-

Срок окупаемости СЭС при замене ДЭС на АГЭУ, как показали расчеты, составит 10–15 лет при сроке службы СЭС 25 лет. Показатели сроков окупаемости просчитаны авторами статьи с использо- ванием критерия чистого дисконтированного дохода (ЧДД) и показаны для примера для СЭС, установленной в Арта-бышском сельском поселении (рис. 3).

ЧДД при использовании оборудования СЭС (Артыбашское сельское поселение, республика Алтай)

Рис. 3. Показатели ЧДД и дисконтированной величины срока окупаемости при использовании оборудования СЭС в Артыбашском сельском поселении Республики Алтай

Как видно из рисунка 3, величина ЧДД достигнет своего положительного значения через 11 лет при использовании оборудования СЭС.

Заключение. Ежемесячное суммарное среднесуточное удельное солнечное излучение на поверхности СМ при угле наклона β СМ, равному широте местности, в таких сельских поселениях, как Артыбашское (Республика Алтай), Качык (Республика Тыва), Нижнеудинское (Иркутская область), Шипуново (Алтайский край), в период с марта по август изменяется незначительно, а в зимние месяцы составляет 40–50 % от летних месяцев. Указанные сельские поселения расположены значительно выше над уровнем моря, чем остальные, преимущественно в горной местности, в отличие от остальных, расположенных в равнинной части Сибири. Использование СЭС в составе АГЭУ позволяет снизить потребление дизельного топлива на 25–50 %, а в северных районах, например, в п. Тура Красноярского края – на 20–25 %, тем сам продлить на указанные проценты срок службы ДГ.

Как показали результаты техникоэкономического сравнения себестоимости электрической энергии, полученной от СЭС в 11 сельских поселениях Сибири, при использовании качественного отечественного оборудования, предлагаемого группой компаний «Хевел», наименьшее значение себестоимости (порядка 10 руб/кВт.ч) в республиках Алтай, Тыва и Иркутской области, однако это значение примерно в 3 раза меньше, чем себестоимость электроэнергии от ДЭС в указанных сельских поселениях, где отсутствует централизованное электроснабжение.

При снижении себестоимости электроэнергии, производимой СЭС, на 25–50 % за счет использования более дешевого китайского оборудования, но неизвестного качества, СЭС могут быть востребованы сельхозтоваропризводите-лями Красноярского и Алтайского краев, в которых тариф на электроэнергию для указанных потребителей составляет 8–9 руб/кВт ^. ч.